Batterie; Aufbau der Bleibatterie

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1 3. Aufbau der Bleibatterie am Beispiel einer Starterbatterie mit Gitterplatten Bild 1: Aufbau einer Starterbatterie 1 Anschlusspol 7 Batteriegehäuse (Polypropylen PP) 2 Verschlusszapfen 8 Schlammraum 3 Zellenverbinder 9 Minusplatte, grau 4 Zellen-Trennwand 10 Separator 5 Plattenverbinder 11 Plusplatte, braunrot 6 Gehäusedeckel 12 Plattenverbinder Bemerkung: Bei vielen Batterien werden Separatoren in Taschenform verwendet. Damit wird der Schlammraum überflüssig. Die Legierung der Gitterplatte [6] ist ein wichtiges Merkmal für die Funktion der Batterie. Während früher Blei-Antimon verwendet wurde, werden heute Blei-Calcium-Zinn Legierungen verwendet. Bei einem Zinngehalt > 1,2% wird die Korrosionsfestigkeit des Gitters massiv gesteigert. Zudem wird die Gefahr der Reduktion der Leitfähigkeit zwischen Gitter und aktiver Masse reduziert. Ein geringer Zusatz von Silber unterstützt die Korrosionsfestigkeit und reduziert die Gittervergrösserung bei erhöhten Temperaturen. 3-1

2 Bei der Starterbatterie werden dünne Gitterplatten verwendet. Die aktive Masse wird von diesem Gitter getragen. Diese Bauweise ergibt einen geringen Innenwiderstand und garantiert damit hohe Entladeströme. Das Gitter wird aus reinem Blei [3] oder einer Bleilegierung hergestellt. Dabei werden Zusätze wie Antimon, Calcium, Schwefel, Selen oder Zinn [3][4] eingesetzt. Starterbatterien sind nicht geeignet für eine grosse Zahl von Entladezyklen. Panzerplatten / Röhrchenplatten Für Antriebsbatterien (Traktionsbatterien) von Elektrofahrzeugen werden Batterien benötigt, welche vor allem eine grosse Zahl von Entladezyklen erreichen. Solche Batterien werden mit Erfolg in elektrischen Gabelstaplern eingesetzt. Diese werden während eines normalen Arbeitstages à 8 Stunden verwendet. Das bedeutet, dass die Entladedauer etwa 5 h beträgt. Für diese Anwendung wird die aktive Masse der positiven Platte in ein Kunststoffröhrchen eingefüllt. Damit wird diese Platte wesentlich stabiler. Die negative Platte wird als normale Gitterplatte gebaut. Derartige Batterien konnten mit Erfolg bei einem Versuchsbetrieb mit MAN-Linienbussen eingesetzt werden [1]. Für diesen Einsatz wurden Sie mit einer Elektrolytumwälzung und einer Temperaturstabilisierung ausgestattet. Damit konnte eine Säureschichtung vermieden werden. Aufbau: - Bleistäbe - Röhrchen aus Glasseide und Kunststoff gefüllt mit der aktiven Masse - Verschlussleiste aus Kunststoff Bild 2: Aufbau der Röhrchenplatte 3-2

3 Elektrolyt Beim Elektrolyt handelt es sich um verdünnte Schwefelsäure. Bild 3: Warnschild auf einer Batterie In verdünnter Schwefelsäure teilen sich die Schwefelsäuremoleküle H 2 SO 4 in folgende drei Ionen auf: 2 Wasserstoffionen H + und 1 Säurerestion HSO Vergleichstabelle Dichte - Baumé Dichte bei 15 C [kg/dm 3 ] Baumé [ Bé] Säuregehalt [Gewichts-%] 1,100 1,120 1,140 1,160 1,180 1,200 1,220 1,240 1,260 1,280 1,300 1,320 1,340 13,2 15,5 17,8 20,0 22,1 24,2 26,1 28,1 29,9 31,7 33,5 35,2 36,8 14,3 17,0 19,6 22,1 24,7 27,2 29,6 32,0 34,4 36,8 39,1 41,4 43,8 3-3

4 Säuredichte, Temperatur und Gefrierpunkt Säuredichte [kg/dm 3 ] Gefrierpunkt [ C] -25 C -15 C 0 C 15 C 25 C 35 C 45 C 1,253 1,260 1,270 1,280 1,273 1,266 1,259 1,233 1,240 1,250 1,260 1,253 1,246 1,239 1,213 1,220 1,230 1,240 1,233 1,226 1,219 1,193 1,200 1,210 1,220 1,213 1,206 1,199 1,153 1,160 1,170 1,180 1,174 1,167 1,161 1,134 1,140 1,150 1,160 1,154 1,148 1,142 1,050 1,080 1,090 1,100 1,095 1,090 1, Beim Mischen von Batteriesäure gilt: Zuerst das Wasser dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure! Die Batteriesäure muss möglichst rein sein, da Fremdstoffe speziell Metalle sich auf der negativen Platte absetzen oder die positiven Gitter angreifen, Sekundärelemente bilden und die Korrosion sowie die Selbstentladung der Batterie beschleunigen. Neutralisieren von Säuren Säuren dürfen nicht einfach in den Ausguss gegossen werden. Sie sind vorher zu neutralisieren. Dazu eignen sich die folgenden Produkte: Bezeichnung Formel Giftklasse doppelkohlensaures Natron Natriumhydrogencarbonat, Natriumcarbonat, Soda Natronlauge Natriumhydroxyd NaHCO 3 Na 2 CO 3 NaOH aq NaOH

5 Messen des ph-wertes Alle wässerigen Lösungen weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf. Diese Leitfähigkeit ist ein Mass für die Anzahl der Ionen. Die Konzentration der Hydroxoniumionen H 3 O + wird für die Angabe des ph-wertes verwendet. In der Literatur findet man oft anstelle der Hydroxoniumionen die ungenaue Bezeichnung Wasserstoffionen. Da diese Hydroxoniumionen-Konzentration in verdünnten Lösungen alle beliebigen Werte zwischen 1 und mol/dm 3 annehmen kann, verwendet man als Masszahl nur den negativen Exponenten. ph = -log [H 3 O + ] Wasser weist den ph-wert 7 auf und gilt als neutral. Der ph-wert wird mit dem ph-meter oder mit dem Indikationspapier [5] gemessen. Abbildung 4: Die Leitfähigkeit der Schwefelsäure [2] 3-5

6 Die verdünnte Schwefelsäure hat eine Doppelfunktion zu erfüllen: - Reaktionspartner - Ionenleiter Auf dem Diagramm der vorhergehenden Seite sieht man, dass die Leitfähigkeit der verdünnten Schwefelsäure von zwei Grössen beeinflusst wird: - Temperatur - Säuredichte Man erkennt deutlich, dass die Säuredichte der Batterie in den Bereich der grössten Leitfähigkeit gelegt wurde. Literaturverzeichnis [1] Naunin D. und Mitautoren: Elektrische Strassenfahrzeuge, Expert-Verlag, Band 255 [2] Varta: Bleiakkumulatoren, VDI-Verlag, ISBN [3] Hawker Energy: Genesis Selection Guide, second edition Internet: [4] Kiehne H.A.: Batterien, expert Verlag, Band 57, ISBN [5] Christen Hans Rudolf: Allgemeine Chemie, Diesterweg / Sauerländer, ISBN / ISBN [6] Siegmund Andreas: Grid alloys for automobile batteries in the new millennium; Minerals, Metals & Materials Society; Jan